背景
金刚石材料因其优异的热导率、化学稳定性和机械强度而备受关注，但本征绝缘特性限制了其在导电电极领域的应用。尽管硼掺杂金刚石（BDD）可实现导电化，但其电化学双电层电容性能较低且界面阻抗较高。垂直排列的纳米片结构具有高比表面积优势，能够改善反应动力学和传质能力，然而垂直纳米金刚石（VND）片层的制备难度远高于垂直石墨烯（VG），相关研究一直缺乏。
为此，胡晓君教授研究团队通过氩/氧等离子体处理钽负载垂直石墨烯，在常压下实现石墨烯向金刚石相转变，成功制备出兼具高双电层电容（1452 μF cm⁻²）和高n型霍尔迁移率（846 cm² V⁻¹ s⁻¹）的垂直纳米金刚石主导片层结构，解决了传统金刚石电极难以同时获得高电荷存储能力与优异载流子传输性能的关键难题。
相关研究成果以“Vertical nanodiamond dominated sheets possessing both high capacitance and high n-type Hall mobility”为题，于2026年 2月 28日发表于国际知名期刊Nature Communications。科研助理龚玥敏为第一作者，胡晓君教授为唯一通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家国际科技合作项目、浙江省重点研发计划“一带一路”国际合作项目以及唐合（内蒙古）科技公司项目的支持。
成果介绍
该研究的核心亮点在于发现了氧比例对材料结构和性能的精确调控作用。当氧比例低于10%时，样品以多层石墨烯为主，虽电容较高（未处理样品达1626 μF cm⁻²），但霍尔迁移率极低（未处理样品仅5 cm² V⁻¹ s⁻¹）。当氧比例升至10%时，垂直石墨烯几乎完全刻蚀并转变为纳米金刚石晶粒，晶界处反式聚乙炔（TPA）含量显著增加，此时样品VS10展现出最佳综合性能：双电层电容达1452 μF cm⁻²，n型霍尔迁移率高达846 cm² V⁻¹ s⁻¹。这一电容值高于文献报道的硼掺杂金刚石-碳纳米壁复合电极（如6.676×10⁴ μF cm⁻²为特殊复合结构），且迁移率远超紧密堆积纳米金刚石薄膜的522 cm² V⁻¹ s⁻¹。进一步增加氧比例至15%和20%，纳米金刚石晶粒长大而TPA含量下降，电容分别骤降至370 μF cm⁻²和138 μF cm⁻²，但霍尔迁移率仍保持较高水平（497和668 cm² V⁻¹ s⁻¹）。拉曼光谱显示，VS10的TPA特征峰（1150和1480 cm⁻¹）与金刚石峰（1332 cm⁻¹）比值最高，证实了TPA与纳米金刚石的协同效应是性能提升的关键。高分辨透射电镜观察到VS10中纳米金刚石晶粒尺寸约5 nm，晶界处存在连续TPA链，为电荷负载提供活性位点，同时构建导电通道促进载流子传输。
图1：随着氧气比例增加，原本高耸的石墨烯片被逐渐“修剪”变短，颗粒尺寸也缩小。当氧气达到10%时，结构趋于稳定。
总结
这项工作的重要意义在于突破了传统碳基电极难以兼顾高电容和高迁移率的瓶颈，揭示了纳米金刚石与晶界TPA的协同增强机制，为金刚石材料在能源存储、高性能传感器及高频高功率电子器件领域的应用开辟了新途径。该方法在常压下即可实现，避免了高温高压条件，具有良好的可扩展性。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70089-9
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